För första gången, strukturella förändringar av kiseldioxidglas under ytan på grund av nanoskalaslitage och skador har avslöjats via spektroskopi, vilket kan leda till förbättringar av glasprodukter som elektroniska displayer och fordonsrutor, enligt ett team av internationella forskare.

"Ett av de viktigaste forskningsområdena i min grupp är glasytvetenskap, främst förhållandet mellan egendom, glasets struktur, och mekaniska och kemiska egenskaper, särskilt mekanisk hållbarhet och kemisk hållbarhet, "Seong Kim, Penn State framstående professor i kemiteknik och medledande författare till studien i Acta Materialia , sa. "Och en av de tekniker som vi har använt är vibrationsspektroskopi. Men utmaningen med nanoskala strukturanalys av en glasyta är att många av de spektroskopitekniker som människor använder i stor utsträckning inte fungerar här."

Infraröd spektroskopi kan endast upptäcka ytdefekter till en viss grad. Om den typ av defekt som genereras på glasytan är mindre än 10 mikron, som ligger under 10-mikron våglängden för infraröd spektroskopi, den kan inte analyseras eller avbildas korrekt. Analystekniker som Raman -spektroskopi som används i glasforskningsgemenskapen fungerar bättre när det gäller rumslig upplösning, men är fortfarande inte tillräckliga för nanoskala strukturanalyser.

Kims team ville ta fram en teknik som skulle hitta vilken typ av strukturförändring som sker kring fördjupningar på nano-nivå i glasytan. Som en del av studien, de indragna glasytan med en liten spets som kan göra nano -indrag några hundra nanometer djupa och en eller två mikron breda. Att hitta vilken typ av strukturförändringar som händer även med små skador är viktigt eftersom dessa oändliga brister kan påverka glasstyrkan.

Enligt forskarna, ett exempel på detta är Gorilla Glass, tillverkad av Corning Inc. som displayglas för elektronik som mobiltelefoner, och mer nyligen för vindrutor för bilar och flygplan. Detta glas är extremt starkt när det lämnar växten, men när den når tillverkare, glaset är svagare. Detta beror på små repor och andra skador under fysiska kontakter som skapas av papperskontakt, vibrationer i en lastbil, sitter i förpackningar och regelbundet stöter under lossning. Defekterna kanske inte syns, men de räcker för att försvaga glaset.

Dessutom, glas kan korrodera. Korrosionen är annorlunda än metallkorrosion. Vid glaskorrosion, glaset tappar några av dess beståndsdelar på glasytan och glasets kemiska egenskaper förändras, som också kan försvaga glas.

"Så, hur ska man karakterisera sådana osynliga strukturella skador? "sa Kim." Det är ett mycket viktigt område för glasvetenskap, som teoretiskt, glas ska vara lika starkt som stål. Men glas är inte lika starkt som stål och en av huvudorsakerna är ytdefekter. "

När Kims team gjorde sina extremt små fördjupningar i glaset, de ville se vilken typ av strukturell förändring som inträffade i och runt strecksatsen på grund av skador på glaset.

"Så, eftersom indragens maximala storlek bara var några mikron, vi behövde ha en mycket rymligt upplöst infraröd spektroskopiteknik för att karakterisera detta, "Sa Kim.

För att övervinna denna utmaning och "se" skador på glaset, Kim kontaktade en kollega, Slava V. Rotkin, Penn State Frontier professor i teknikvetenskap och mekanik, som använder en ny instrumenteringsteknik som kallas "hyperspektral optisk kartläggning nära fältet." Denna teknik erbjuder både optisk spektral upplösning och hög spatial upplösning och använder ett spridningsskannande närfält optiskt mikroskop byggt av Neaspec GmpH, ett tyskt nanoskala bild- och spektroskopiinstrumentföretag.

"Fram till helt nyligen, studier som Seong var antingen indirekt eftersom du inte riktigt kan avbilda de små sakerna som händer i nanoskala, eller de kommer att beröra fysiska saker som atomer eller molekyler men inte de optiska egenskaperna, "Sa Rotkin." Så, vårt instrument är verkligen unikt eftersom det låter dig göra optikstudier i extremt små skalor, vilket aldrig var möjligt förr. "

Glas är mestadels kiseloxid och samma, i princip, som sand eller den kristallina kvarts i klockor, med en stor skillnad - graden av fel som finns. Sand är som en sten med många ytfel, kristallin kvarts är en perfekt kristall, och glas är något däremellan. Detta gör det svårt att "se" glas i nanoskala, eftersom det finns så många olikheter. Men den hyperspektrale optiska kartläggningstekniken för nära fält gör det möjligt för forskare att nollställa och se effekter på glaset från repor även utöver topografiska skador.

"Det är som att se en stor skog ovanifrån, och det finns många, många träd, buskar, svamp, blommor och så vidare, och du vet inte riktigt vad du ska titta på, "Sa Rotkin." Seongs elever gjorde repor i glaset. Och så ser du repan, det är intressant och sticker ut, som om du rensade en öppning i skogen genom att ta bort träd. Och när du rensar bort träden, det kan pressa en buske till marken och det ändrar på något sätt bladen på grund av vissa skador. Kanske kan du inte se det med det visningsinstrument du använder, men med vårt instrument, det är som att kunna se den enskilda busken, och inte bara det, se att bladen har blivit röda. "

Detta är ett viktigt steg för glasvetenskap, enligt forskarna.

"Papperet som vi publicerade i princip banar den nya vägen för att lära sig hur dessa glasuniformiteter uppstår, och vad är fysiken bakom det, "Sa Rotkin." Vi ser att det finns mekaniska förändringar, reporna ger fysiska förändringar, kemiska förändringar och förändringar i de optiska egenskaperna. Detta är extremt intressant. Det är verkligen en väldigt stor grej. "

Att förstå detta är viktigt eftersom precision är viktigt för många typer av enheter. En kamera på en Mars -rover kan mäta spektrala egenskaper på Marsytan, men en repa på glaset kan inte bara påverka de optiska egenskaperna, men också de mekaniska och kemiska egenskaper som är viktiga för verkligt noggranna mätningar. Eller, nano -repor på glaset på en mobiltelefonkamera kunde inte bara ändra transparensen, men kan också ändra färgkoder och resultera i foton av lägre kvalitet, sa laget.

"Denna studie handlar mer om att förstå vad som händer med glaset på sätt som vi aldrig har gjort tidigare, och utan förståelse, en process eller produkt kan förbättras genom att bara testa och fel, "Kim sa." Men ett bättre sätt att göra det är den kunskapsbaserade utvecklingen eller bearbetningen. Så, om vi inte kan förstå vilken typ av defekter som uppstår vid fysisk kontakt, hur kan vi göra glasytan bättre eller mer perfekt, mer hållbar, mekaniskt och kemiskt? "

Beväpnad med denna information, Kim tror att det finns en stark möjlighet till nya framsteg inom glasvetenskap.

"Genom att förstå nano -ytskador över multikomponentglasmaterial med den här tekniken, vi kan avsevärt öka vår grundläggande förståelse för glasvetenskap, "Sa Kim.